elektronski vrtlozi
© Christine Daniloff, MIT
Davno predviđeni, ali nikad opaženi, vrtlozi elektrona nalik tekućini mogli bi se iskoristiti za elektroniku male snage sljedeće generacije
Iako su diskretne čestice, molekule vode teku zajedno kao tekućine, stvarajući potoke, valove, vrtloge i druge klasične fluidne fenomene.

Sa strujom nije tako. Dok je električna struja također konstrukt različitih čestica — u ovom slučaju, elektroni — čestice su toliko male da bilo koja kolektivno ponašanje među njima je utopljen većim utjecajima dok elektroni prolaze kroz obične metale. Ali, u određenim materijalima i pod određenim uvjetima, takvi efekti nestaju, a elektroni mogu izravno utjecati jedni na druge. U tim slučajevima, elektroni mogu teći kolektivno poput tekućine.

Sada su fizičari s MIT-a i Weizmann Instituta za znanost promatrali elektrone koji teku u vrtlozima ili kovitlacima - obilježje protoka tekućine za koje su teoretičari predviđali da bi elektroni trebali pokazivati, ali to do sada nije viđeno.

slika
© Ljubaznošću istraživača
U većini materijala poput zlata (lijevo), elektroni teku s električnim poljem. Ali fizičari s MIT-a otkrili su da u egzotičnom volfram diteluridu (desno) čestice mogu promijeniti smjer i kovitlati se poput tekućine
"Teoretski se očekuju elektronski vrtlozi, ali nije bilo izravnog dokaza, a vidjeti je vjerovati", kaže Leonid Levitov, profesor fizike na MIT-u. "Sada smo to vidjeli i to je jasan znak postojanja u ovom novom režimu, gdje se elektroni ponašaju kao tekućina, a ne kao pojedinačne čestice."

Zapažanja, objavljena u časopisu Prirodamogao bi utjecati na dizajn učinkovitije elektronike.

"Znamo kada elektroni prelaze u fluidno stanje, [energy] disipacija pada, a to je od interesa za pokušaj dizajna elektronike male snage," kaže Levitov. "Ovo novo opažanje još je jedan korak u tom smjeru."

Levitov je koautor novog rada, zajedno s Elijem Zeldovim i drugima na Weizmannovom institutu za znanost u Izraelu i Sveučilištu Colorado u Denveru.

Kolektivni stisak

Kada elektricitet teče kroz većinu uobičajenih metala i poluvodiča, momenti i putanje elektrona u struji pod utjecajem su nečistoća u materijalu i vibracija među atomima materijala. Ovi procesi dominiraju ponašanjem elektrona u običnim materijalima.

Ali teoretičari su predvidjeli da u nedostatku takvih uobičajenih, klasičnih procesa, kvantni efekti treba preuzeti. Naime, elektroni bi trebali pokupiti delikatno kvantno ponašanje jedni drugih i kretati se kolektivno, kao viskozna elektronska tekućina poput meda. Ovo ponašanje poput tekućine trebalo bi se pojaviti u ultračistim materijalima i na temperaturama blizu nule.

Godine 2017., Levitov i kolege sa Sveučilišta u Manchesteru izvijestili su o potpisima takvog elektrona nalik tekućini ponašanje u grafenu, kao atom tanak sloj ugljika na koji su urezali tanki kanal s nekoliko točaka uklještenja. Primijetili su da struja poslana kroz kanal može teći kroz suženja uz mali otpor. To je sugeriralo da su se elektroni u struji mogli zajedno provući kroz točke ukliještenja, slično kao tekućina, umjesto da se začepe, poput pojedinačnih zrnaca pijeska.

Ova prva naznaka potaknula je Levitova da istraži druge fenomene fluida elektrona. U novoj studiji, on i kolege s Weizmannova instituta za znanost pokušavali su vizualizirati elektronske vrtloge. Kako pišu u svom radu, "najupečatljivija i sveprisutna značajka u protoku regularnih tekućina, stvaranje vrtloga i turbulencije, još nije uočena u tekućinama elektrona unatoč brojnim teoretskim predviđanjima."

Kanalizirajući tok

Kako bi vizualizirao elektronske vrtloge, tim je tražio volframov ditelurid (WTe2), ultračisti metalni spoj za koji je otkriveno da pokazuje egzotična elektronska svojstva kada je izoliran u dvodimenzionalnom obliku tankom od jednog atoma.

"Volframov ditelurid jedan je od novih kvantnih materijala u kojima elektroni snažno međusobno djeluju i ponašaju se kao kvantni valovi, a ne kao čestice", kaže Levitov. "Osim toga, materijal je vrlo čist, što čini ponašanje poput tekućine izravno dostupnim."

Istraživači su sintetizirali čiste monokristale volframovog ditelurida i oljuštili tanke ljuskice materijala. Zatim su koristili e-beam litografiju i tehnike jetkanja plazmom kako bi svaku pahuljicu oblikovali u središnji kanal povezan s kružnom komorom s obje strane. Urezali su isti uzorak u tanke zrna zlata — standardnog metala s običnim, klasičnim elektroničkim svojstvima.

Zatim su pustili struju kroz svaki uzorak s uzorkom na ultraniskim temperaturama od 4,5 kelvina (oko -450 stupnjeva Fahrenheita) i izmjerili protok struje u određenim točkama u svakom uzorku, koristeći skeniranje na nanoskali uređaj za supravodljivu kvantnu interferenciju (LIGNJA) na vrhu. Ovaj uređaj razvijen je u Zeldovom laboratoriju i mjeri magnetska polja s iznimno velikom preciznošću. Koristeći uređaj za skeniranje svakog uzorka, tim je mogao detaljno promatrati kako elektroni teku kroz kanale s uzorkom u svakom materijalu.

Istraživači su primijetili da elektroni koji teku kroz uzorkovane kanale u zlatnim ljuskicama to čine bez mijenjanja smjera, čak i kada dio struje prolazi kroz svaku bočnu komoru prije nego što se ponovno spoji s glavnom strujom. Nasuprot tome, elektroni koji su tekli kroz volframov ditelurid tekli su kroz kanal i kovitlali se u svaku bočnu komoru, slično kao što bi to učinila voda kada bi se ispraznila u zdjelu. Elektroni su stvorili male vrtloge u svakoj komori prije nego što su potekli natrag u glavni kanal.

"Primijetili smo promjenu u smjer protoka u komorama, gdje je smjer protoka promijenio smjer u usporedbi s onim u središnjoj traci", kaže Levitov. "To je vrlo upečatljiva stvar, a to je ista fizika kao ona u običnim tekućinama, ali događa se s elektronima na nanomjera. To je jasan znak da su elektroni u režimu sličnom fluidu."

Opažanja grupe su prva izravna vizualizacija vrtložnih vrtloga u električna struja. Nalazi predstavljaju eksperimentalnu potvrdu temeljnog svojstva ponašanja elektrona. Oni također mogu ponuditi naznake kako bi inženjeri mogli dizajnirati uređaje male snage koji provode električnu energiju u većoj mjeri tekući namanje otporan način.